От чего зависит прочность сцепления арматуры с бетоном

Обновлено: 18.04.2024

В железобетонных конструкциях благодаря сцеплению материалов скольжения арматуры в бетоне под нагрузкой не происходит. Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивается сопротивлением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, заанкерованных в бетоне. Согласно опытным данным, прочность сцепления зависит от:
1) зацепления в бетоне выступов на поверхности арматуры периодического профиля;
2) сил трения, развивающихся при контакте арматуры с бетоном под влиянием его усадки;
3) склеивания арматуры с бетоном, возникающего благодаря клеющей способности цементного геля.
Наибольшее влияние на прочность сцепления оказывает первый фактор. Если арматура гладкая и круглая, сопротивление скольжению уменьшается в 2—3 раза. Исследования показали, что распределение напряжений сцепления арматуры с бетоном по длине заделки стержня неравномерно, и наибольшее напряжение сцепления тстах не зависит от длины анкеровки стержня.
Прочность сцепления возрастает с повышением класса бетона, уменьшением водоцементного отношения, а также с увеличением возраста бетона. При недостаточной заделке к концам стержней приваривают коротыши или шайбы (по концам стержней из гладкой стали класса A-I устраивают крюки). При вдавливании арматурного стержня в бетон прочность сцепления больше, чем при его выдергивании, вследствие сопротивления окружающего слоя бетона поперечному расширению сжимаемого стержня. С увеличением диаметра стержня и напряжения в нем Os прочность сцепления при сжатии возрастает, а при растяжении уменьшается. Отсюда следует, что для лучшего сцепления арматуры с бетоном при конструировании железобетонных элементов диаметр растянутых стержней следует ограничивать. Анкеровка арматуры в бетоне В железобетонных конструкциях закрепление концов арматуры в бетоне — анкеровка — достигается запуском арматуры за рассматриваемое сечение на длину зоны передачи усилий с арматуры на бетон (обусловленную сцеплением арматуры с бетоном), а также с помощью анкерных устройств.
Ненапрягаемая арматура из гладких стержней класса A-I снабжена на концах анкерами в виде полукруглых крюков диаметром 2,5 d, а в конструкциях из бетонов на пористых заполнителях — диаметром 5 d. Анкерами гладких стержней в сварных сетках и каркасах служат стержни поперечного направления, поэтому их применяют без крюков на концах. Арматурные стержни периодического профиля обладают значительно лучшим сцеплением с бетоном, их применяют без крюков на концах.
Ненапрягаемую арматуру периодического профиля заводят за нормальное к продольной оси элемента сечение, в котором она учитывается с полным расчетным сопротивлением на длину зоны анкеровки.
На крайних свободных опорах изгибаемых элементов продольные растянутые стержни заводят для анкеровки за внутреннюю грань опоры на длину не менее 10d; если наклонные трещины в растянутой зоне не образуются, то стержни заводят за внутреннюю грань опоры на длину не менее 5d.
Напрягаемая арматура — стержни периодического профиля или арматурные канаты — при натяжении на упоры и достаточной прочности бетона применяется в конструкциях без специальных анкеров; арматура при натяжении на бетон (арматурные пучки) или натяжении на упоры в условиях недостаточного сцепления с бетоном (гладкая высокопрочная проволока) всегда закрепляется в бетоне специальными анкерами. Длина зоны анкеровки напрягаемой арматуры без анкеров принимается равной длине зоны передачи напряжений с арматуры на бетон.
Предварительное напряжение в арматуре считается изменяющимся линейно от нуля у края элемента до полного значения в сечении, расположенном на расстоянии 1Р от края элемента.
Для того чтобы бетон при передаче на него усилий с напрягаемой арматуры не раскалывался, концы элементов усиливают закладными деталями с анкерными стержнями, хомутами и т. п.
Для захвата, натяжения и закрепления на упорах канатов и стержневой арматуры периодического профиля применяют специальные цанговые захваты; кроме того, для стержневой арматуры применяют приваренные коротыши или шайбы, нарезку накатом без ослабления сечения, высаженные головки правильной формы или неправильной формы со втулкой.
Анкеры при натяжении арматуры на бетон должны обеспечивать хорошую передачу усилия с арматуры на бетон. В местах расположения анкеров у конца элементов бетон усиливают дополнительными хомутами, сварными сетками, спиралями, а для равномерной передачи усилий с арматуры на бетон под анкерами размещают стальные плиты.
Заводской гильзовый анкер арматурного пучка состоит из стержня с нарезкой, заведенного внутрь пучка, и гильзы из мягкой стали, надетой поверх пучка. При протяжке через обжимное кольцо металл гильзы течет и запрессовывает проволоки пучка. Закрепление этого анкера после натяжения арматурного пучка на бетон домкратом производится гайкой концевого стержня, затягиваемой до упора в торец элемента.
Упором домкрата в торец элемента арматурный пучок натягивают до заданного напряжения, затем специальным поршнем, выдвигаемым из домкрата, проволоки пучка заклинивают конической трубкой в стальной колодке.
Анкер стаканного типа применяют для закрепления более мощного арматурного пучка с несколькими рядами концентрически расположенных проволок. Домкрат захватывает анкер и оттягивает его с упором на бетон на заданную величину; в зазор, образовавшийся между анкером и торцом элемента, вводят шайбы с прорезями, благодаря чему арматурный пучок удерживается в напряженном состоянии. Усадка железобетона В железобетонных конструкциях стальная арматура вследствие ее сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона. Согласно опытным данным, усадка и набухание железобетона в ряде случаев вдвое меньше, чем усадка и набухание бетона. Стесненная деформация усадки бетона приводит к появлению в железобетонном элементе начальных, внутренне уравновешенных напряжений растягивающих в бетоне и сжимающих в арматуре. Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетонного элемента и стесненной усадки армированного элемента возникают средние растягивающие напряжения в бетоне.
При усадке железобетона растягивающие напряжения в бетоне зависят от свободной усадки бетона, коэффициента армирования , класса бетона. С увеличением содержания арматуры в бетоне растягивающие напряжения увеличиваются, и, если они достигают временного сопротивления при растяжении, возникают усадочные трещины. Растягивающие напряжения в бетоне при стесненной усадке элемента, армированного односторонней несимметричной арматурой, возрастает вследствие внецентренного приложения к сечению усилия в арматуре.
Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки способствуют более раннему образованию трещин в тех зонах железобетонных элементов, которые испытывают растяжение от нагрузки. Однако с появлением трещин влияние усадки уменьшается. В стадии разрушения усадка не влияет на несущую способность статически определимого железобетонного элемента. В статически неопределимых железобетонных конструкциях (арках, рамах и т. п.) лишние связи препятствуют усадке железобетона и поэтому усадка вызывает появление дополнительных внутренних усилий. Влияние усадки эквивалентно понижению температуры на определенное число градусов. Для того чтобы уменьшить дополнительные усилия от усадки, железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий большой протяженности делят усадочными швами на блоки. Ползучесть железобетона Ползучесть железобетона является следствием ползучести бетона. Стальная арматура, как и при усадке, становится внутренней связью, препятствующей свободным деформациям ползучести. В железобетонном элементе под нагрузкой стесненная ползучесть приводит к перераспределению усилий между арматурой и бетоном. Процесс перераспределения усилий интенсивно протекает в течение первых нескольких месяцев, а затем в течение длительного времени (более года) постепенно затухает. Продольные деформации арматуры и бетона центральнo-сжатой железобетонной призмы благодаря сцеплению материалов одинаковы
Релаксация напряжений в бетоне железобетонной призмы наблюдается и при постоянных напряжениях в арматуре. Напряжения в бетоне с течением времени уменьшаются, так как коэффициент с течением времени уменьшается.
На работу коротких сжатых железобетонных элементов ползучесть бетона оказывает положительное влияние, обеспечивая полное использование прочности бетона и арматуры; в гибких сжатых элементах ползучесть вызывает увеличение начальных эксцентриситетов, что может снижать их несущую способность; в изгибаемых элементах ползучесть вызывает увеличение прогибов; в предварительно напряженных конструкциях ползучесть приводит к потере предварительного напряжения. Ползучесть и усадка железобетона протекают одновременно и совместно влияют на работу конструкции. Защитный слой бетона Защитный слой бетона в железобетонных конструкциях создается размещением арматуры на некотором удалении от поверхности элемента. Защитный слой бетона необходим для совместной работы арматуры с бетоном на всех стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций, он защищает арматуру от внешних воздействий, высокой температуры, агрессивной среды и т. п. Толщина защитного слоя бетона на основании опыта эксплуатации железобетонных конструкций устанавливается в зависимости от вида и диаметра арматуры, размера сечений элемента, вида и класса бетона, условий работы конструкции и т.д.
Толщина защитного слоя бетона для продольной арматуры ненапрягаемой или с натяжением на упоры должна быть не менее диаметра стержня или каната; в плитах и стенках толщиной до 100 мм —10 мм; в плитах и стенках толщиной более 100 мм, а также балках высотой менее 250 мм — 15 мм; в балках высотой 250 мм и более — 20 мм; в сборных фундаментах—30 мм. Толщина защитного слоя бетона у концов продольной напрягаемой арматуры на участке передачи усилий с арматуры на бетон должна составлять не менее двух диаметров стержня из стали классов A-IV, Ат-IV или арматурного каната и не менее трех диаметров стержня классов A-V, A-VI, AT-V, AT-VI. Причем толщину защитного слоя бетона на указанном участке длины элемента принимают не менее 40 мм для стержневой арматуры рсех классов и не менее 20 мм для арматурного каната. Защитный слой бетона при наличии стальных опорных деталей допускается у концов элемента принимать таким же, как и для сечения в пролете.
Толщина защитного слоя бетона для продольной напрягаемой арматуры, натягиваемой на бетон и располагаемой в каналах (расстояние от поверхности конструкции до ближайшей к ней поверхности канала), должна быть не менее 20 мм и не менее половины диаметра канала, а при диаметре арматурного пучка 32 мм и более еще и не менее этого диаметра.
Расстояние от концов продольной ненапрягаемой арматуры до торца элементов должно быть не менее 10 мм, а для сборных элементов большой длины (панелей длиной более 12 м, ригелей — более 9 м, колонн — более 18 м) — не менее 15 мм. Минимальную толщину защитного слоя бетона для поперечных стержней каркасов и хомутов при высоте сечения элемента менее 250 мм принимают 10 мм, при высоте сечения элемента 250 мм и более 15 мм. Средняя плотность железобетона Средняя плотность тяжелого железобетона при укладке бетонной смеси с вибрированием равна 2500 кг/м3, при укладке бетонной смеси без вибрирования — 2400 кг/м3. При значительном содержании арматуры (свыше 3%) плотность железобетона определяют как сумму масс бетона и арматуры в 1 м3 объема конструкции. Средняя плотность легкого железобетона определяется так же, как сумма масс бетона и арматуры в 1 м3 объема конструкции. Армоцемент Армоцемент — особый вид железобетона, приготовленный на цементно-песчаном бетоне, армированный сетками из тонкой проволоки диаметром 0,5—1 мм с мелкими ячейками размером до 10Х10 мм. Насыщение сетками густое, расстояние между сетками 3—5 мм, что позволяет получить достаточно однородный по свойствам материал. Из армоцемента изготовляют конструкции с малой толщиной стенок 10—30 мм (оболочки, волнистые своды и т. п.).
Предельная растяжимость бетона в армоцементных конструкциях благодаря значительному увеличению поверхности сцепления арматуры с бетоном возрастает. Малая ширина раскрытия трещин — основная особенность армоцемента, позволяющая достигнуть полного использования прочности арматурных сеток в конструкциях без предварительного напряжения. В растянутых зонах армоцементных конструкций возможно комбинированное армирование — сетками и напрягаемой арматурой. Армоцементные конструкции можно применять лишь при нормальной влажности и отсутствии агрессивных воздействий среды, так как их коррозионная стойкость невелика. Огнестойкость их меньше, чем огнестойкость железобетонных конструкций. Армоцементные конструкции не рекомендуется применять при систематическом воздействии ударной нагрузки. Армополимербетон Армополимербетон изготовляют из полимербетона со стальной или неметаллической арматурой. Арматура хорошо сцепляется с полимербетоном. Коррозия стальной арматуры в армополимербетоне не наблюдается. Армополимербетон обладает высокой коррозионной стойкостью и поэтому применение его целесообразно в конструкциях и сооружениях, работающих в агрессивной среде и при высоком гидростатическом давлении. Воздействие температуры на железобетон Под воздействием температуры в железобетоне возникают внутренние взаимно уравновешенные напряжения, вызванные некоторым различием в значениях коэффициента линейной температурной деформации цементного камня, зерен заполнителей и стальной арматуры. При воздействии на конструкцию температуры до 50°С внутренние напряжения невелики и практически не приводят к снижению прочности бетона. В условиях систематического воздействия технологических температур (порядка 60—200°С) необходимо учитывать некоторое снижение механической прочности бетона (примерно на 30 %) При длительном нагреве до 500—600 °С и последующем охлаждении бетон разрушается.
Основными причинами разрушения бетона при воздействии высоких технологических температур являются значительные внутренние растягивающие напряжения, возникающие вследствие разности температурных деформаций цементного камня и зерен заполнителей, а также вследствие увеличения в объеме свободной извести, которая выделяется при дегидратации минералов цемента и гасится влагой воздуха.
Для конструкций, испытывающих длительное воздействие высоких технологических температур, применяют специальный жаростойкий бетон. Прочность сцепления арматуры периодического профиля с бетоном снижается при температуре до 500°С на 30%. Однако прочность сцепления гладкой арматуры с бетоном начинает резко снижаться уже при 250 °С.
В статически неопределимых железобетонных конструкциях под воздействием сезонных изменений температур возникают дополнительные усилия, которые при большой протяженности конструкции становятся весьма значительными. Чтобы уменьшить дополнительные усилия от изменения температуры, здания большой протяженности делят на отдельные блоки температурными швами, которые обычно совмещают с усадочными швами. Коррозия железобетона и меры защиты от нее Коррозионная стойкость элементов железобетонных конструкций зависит от плотности бетона и степени агрессивности среды. Коррозия бетона, имеющего недостаточную плотность, может происходить от воздействия фильтрующейся воды, которая растворяет составляющую часть цементного камня — гидрат окиси кальция. Наибольшей растворяющей способностью обладает мягкая вода. Внешним признаком такой коррозии бетона являются белые хлопья на его поверхности. Другой вид коррозии бетона возникает под влиянием газовой или жидкой агрессивной среды: кислых газов в сочетании с повышенной влажностью, растворов кислот, сернокислых солей и др. При взаимодействии кислоты с гидратом окиси кальция цементного камня бетон разрушается. Продукты химического взаимодействия агрессивной ере ды и бетона, кристаллизуясь, постепенно заполняют поры и каналы бетона. Рост кристаллов приводит к разрыву стенок пор, каналов и быстрому разрушению бетона. Наиболее вредны для бетона соли ряда кислот, особенно серной кислоты; они образуют в цементе сульфат кальция и алюминия. Сульфатоалюминат кальция, растворяясь, вытекает и образует белые подтеки на поверхности бетона. Весьма агрессивны грунтовые воды, содержащие сернокислотный кальций, а также воды с магнезиальными и аммиачными солями.
Морская вода при систематическом воздействии оказывает вредное влияние на бетон, поскольку содержит сульфатомагнезит, хлористую магнезию и другие вредные соли.
Коррозия арматуры (ржавление) происходит в результате химического и электролитического воздействия окружающей среды; обычно она протекает одновременно с коррозией бетона, но может протекать и независимо от коррозии бетона. Продукт коррозии арматуры имеет в несколько раз больший объем, чем арматурная сталь, и создает значительное радиальное давление на окружающий слой. При этом вдоль арматурных стержней возникают трещины и отколы бетона с частичным обнажением арматуры.
Мерами защиты от коррозии железобетонных конструкций, находящихся в условиях агрессивной среды, в зависимости от степени агрессии являются: снижение фильтрующей способности бетона введением специальных добавок, повышение плотности бетона, увеличение толщины защитного слоя бетона, а также применение лакокрасочных или мастичных покрытий, оклеечной изоляции, замена портландцемента глиноземистым цементом, применение специального кислотостойкого бетона.

Ведя разговор о бетоне, нельзя забывать о железобетоне. За счет исключительных качеств, он широко применяется в современном строительстве. Железобетон – это прежде всего бетон, в который вводятся стальные стержни называемые арматурой. Само слово «арматура» – итальянского происхождения и в переводе на русский означает «вооружение». Зачем же нужно «армировать» бетон?

Деформация конструкции вследствие сжатия и растяжения

На строительные конструкции действуют сжатие и растяжение. Из-за этого конструкции деформируются. Для примера, наглядно можно представить обе силы, если взять обыкновенную резинку, положить ее на две опоры и нажать на нее в середине. Резинка сожмется в верхней части, но зато растянется в нижней. В средней же части длина резинки не изменится. Та условная линия, которая разделяет резинку на две части – сжатую и растянутую, называется нейтральной осью. При работе бетонной конструкции на изгиб получается аналогичная картина ее деформации.

Конструкции из бетона при изгибе разрушаются при очень малой нагрузке. Прочность же стального стержня на растяжение в 100 – 200 раз выше, чем у бетона. Значит, если заставить оба материала (бетон и сталь) работать как одно целое, т. е. добиться одинаковой прочности в зоне сжатия и в зоне растяжения изгибаемой конструкции, то можно в несколько раз повысить прочность сооружения на изгиб. Для этого в растянутую часть вводят несколько стальных стержней (арматуру) определенного сечения. Теперь уже конструкция не ломается при изгибе и может выдерживать во много раз большую разрушающую нагрузку.

Может возникнуть вопрос, как же могут совместно работать в одной конструкции два таких разнородных материала, как бетон и сталь?

Все дело в их свойствах: большая прочность на сжатие; высокая прочность арматурной стали на растяжение; большая сила сцепления бетона со сталью; почти одинаковое изменение длины бетона и стали при изменении температуры.

За счет прочного сцепления бетона с арматурой, ее нельзя выдернуть. При твердении бетон уменьшается в объеме и обжимает арматуру, а значит еще прочнее сцепляется с ней. Сила сцепления с арматурой будет возрастать со временем и тем больше, чем плотнее бетон и чем больше шероховатость поверхности арматуры.

Очень малая теплопроводность бетона весьма полезна для железобетонных конструкций: бетон хорошо защищает арматуру от резких изменений температуры.

В области строительства исключительно важное значение имеет понятие сцепления арматуры с бетоном. Речь идет об основном фундаментальном свойстве железобетона. Сила сцепления создает в ближайшем к арматуре бетоне сложнейшее напряженное и деформированное состояние, что приводит к распределению нагрузки по оси арматуры. В результате продольные усилия по всей длине стержня становятся переменными. То, насколько прочным будет сцепление, определяется сопротивляемостью к выдергиванию или выдавливанию стальных стержней из бетона.

К чему приводит недостаточное сцепление

Исследования показывают, что даже при незначительной заделке арматурных стержней в бетон, в месте из соединения развивается значительная сила сцепления. Эта сила препятствует сдвигу металла в бетоне.

Надежное сцепление арматурного проката с бетоном – это основной фактор, который отвечает за тандемную работу стальных прутков и бетона в ЖБ-конструкциях. Они работают под нагрузкой как единое целое.

При недостаточном сцеплении наблюдается образование трещин, что влечет за собой возрастание удлинений на всем протяжении растянутой арматуры. Такое явление приводит к резкому раскрытию образовавшейся трещины, а также сокращению высоты сжатой зоны и уменьшению изгибной жесткости. Кроме того, наблюдается снижение несущей способности.

Как создается надежное сцепление

Если говорить о надежности сцепления стальных стержней с бетоном, нужно отметить три основных момента:

Адгезия поверхности металлического прутка с бетоном осуществляется за счет вязкости коллоидной массы цементного теста.
Сопротивление бетона усилиям среза, а также смятия, что объясняется наличием рифлей на поверхности металлических стержней.
Возникающие на поверхности металлопроката силы трения – за счет обжатия металлических стержней бетоном в процессе его усадки.

Нужно отметить, что именно первый фактор влияет наиболее ощутимо на силу сцепления арматурных прутков с бетоном. Он обеспечивает порядка 75 % от общего показателя.

Дополнительные факторы

Также важно учитывать тип используемого металлопроката. Оптимальные показатели у арматуры периодического профиля. Сцепление рифленых арматурных стержней с бетоном в 2-3 раза выше, чем с гладкими прутками. По этой причине при выполнении армирования с задействованием арматуры периодического профиля отпадает необходимость в использовании на концах специальных анкерных устройств.

Существенное влияние на данный процесс оказывает седиментация твердых частиц, а также выжимание воды при затвердевании и наборе прочности бетонной смеси. Это приводит к тому, что сцепление арматурного проката с бетоном становится различным для прутков в направлении бетонирования и перпендикулярно ему в нижней или в верхней частях сечения ЖБ-изделия, которое бетонируется за один прием. Наличие рифлей на поверхности материала в значительной степени смягчает неблагоприятное влияние такого явления как седиментация.

Еще один важный момент, на который нужно обратить внимание – напряжение в бетоне под выступами арматурных стержней. Этот показатель при их выдергивании может превосходить в несколько раз кубиковую прочность бетона. По этой причине крайне важно не допустить снижение плотности бетона в месте соединения с металлическими стержнями.

Чтобы повысить надежность зацепления арматуры за бетон по всей длине элементов, дополнительно выполняются свивки металлических стержней в канаты. Витые канаты прочно самоанкеруются в бетонной смеси.

Не стоит забывать и о характеристиках самой бетонной смеси. Прочность сцепления возрастает по мере повышения класса бетона и уменьшения водоцементного отношения. Кроме того, учитывается способ укладки раствора и условия твердения.

Если вам нужен надежный поставщик металлопроката, обращайтесь в «Арматура-ММ». Наша компания реализует все востребованные виды арматурного проката. В ассортименте представлены как гладкие стержни, так и периодического профиля. Мы поможем вам подобрать материал, оптимально подходящий для реализации вашего проекта. По всем вопросам можно проконсультироваться с нашими специалистами. Обращайтесь!

Бетон и металлические стержни при их соединении, начинают работать вместе, добавляя друг другу механические и физические свойства.

Это успешное взаимодействие возможно, из-за появления между ними силы сцепления. Связь возникает по всей площади их соприкосновения, а после появления нагрузок не дает арматуре сдвигаться. Так железобетон получает свое фундаментальное свойство, за что он и ценится как строительный материал.

От чего зависит прочность сцепления?

Эта величина зависит от сопротивляемости цементного камня выдергиванию из него стержня, также на нее влияют факторы:

проскальзыванию арматуры препятствует ее периодический профиль, продольные ребра и выступы. Их связь с бетоном создает в нем сопротивление, которое при нагрузках не дает стержню двигаться.
Механические свойства арматурной стали, высота профильного ребра и ее диаметр.
Склеивание цементного раствора и поверхности металла.
Существенно влияют свойства и качество бетонной смеси, возраст, М цемента, заполнители и их % составления. Значение имеет низкое водоцементное отношение.
Приготовление и заливка б/смеси по нормам стандартной технологии, с уплотнением и соблюдением влажного режима для ее схватывания.

Ранее считалось, что на поверхности соприкосновения прута и цементной смеси, при ее усадке и схватывании, образуются силы трения. Но недавние опыты привели к заключительному выводу, что в действительности такие силы отсутствуют. Еще выяснилось, что обжим прута при схватывании смеси негативно влияет на его сопротивляемость выдергиванию.

В какой степени влияет адгезия на прочность связи? При адгезии в местах соединения начинают работать силы притяжения и взаимосвязи на молекулярном уровне. Но при возникновении даже небольших усилий, силы адгезии разрушаются, поэтому их влияние не будет значимым.

Результаты испытаний над образцами показывают, что в основном прочность сцепления зависит от состояния поверхности арматуры. Чем более гладкая, даже полированная поверхность, тем быстрее выдергивается стрежень. Первостепенную роль для величины сцепления выполняет периодический профиль (ребра жесткости и выступы). Профилированная поверхность сопротивляется сдвигам сильнее в 3 раза, чем гладкий пруток.

Зависимость длины заделки от напряжения и диаметра сечения

Возникающее сцепление рассредотачивает нагрузки между стальными прутами и цементным камнем, это особенно нужно, когда в нем начинаются деформации неупругого характера и появляются трещины. Распределение напряжений помогает избежать избыточного расширения трещин.

Напряжения Tbd вдоль стержня располагаются неравномерно. Их максимальные значения Tmax образуются через небольшой интервал от конца, на это указывает эпюра напряжений испытуемого образца, и они не зависят от длины заделки Lan. Их величина может быть больше прочности цементного камня в несколько раз, поэтому в торцах необходимо контролировать плотность укладки бетона к арматуре.

Величину сцепления выражают через отношение среднего напряжения к площади поверхности заделки формулой:Tbd m=NdLan.

Для гладкой арматуры средние значения Tbd m от 2,5 до 4 МПа, а для профилированной до 7 МПа.

Если длину заделки выразить через напряжение N=d2/4, то получим ее выражение:

Прямая пропорциональность формулы показывает, что с увеличением диаметра сечения и напряжения, нужно увеличивать протяженность заделки. При увеличении Tbm прочности бетона можно уменьшить длину заделки, или для ее уменьшения можно применить периодический профиль.

Экспериментальным путем определили, что для прочной связи протяженность заделки при гладких поверхностях прута 30-40 диаметров, а для профилированных 15-20 диаметров.

Также обнаружили разную реакцию опытного образца на продавливание и выдергивание. При продавливании сила взаимосвязи больше, потому что сжатый стержень начинает расширяться поперек и возникает добавочное сопротивление бетона.

Поэтому продольное растягивание стержней предполагает большую длину их заделки, а также ограниченный размер диаметра.

Анкера

Для гладких прутков, без профиля, в торцах необходима анкеровка. На конце балки, где эпюра напряжений показывает максимальные значения, превышающие прочность цементного камня, монтируется анкер. Для гладких прутьев это будет загнутый крюк, петля, поперечный отрезок.

Для сварной сетки из прутьев без профиля функцию анкеров будут выполнять ее крайние поперечные связи.

Профилированная арматура не нуждается в крюках, но у нее может быть отгиб (лапка.)

Длина анкера рассчитываются, и она не менее 15 d анкеруемого прута или 200 мм.

Недостаточное сцепление

При недостаточной связи металла и цементного камня их взаимодействие резко сокращается. Металл уже не может передавать упругие свойства, делая цементный камень жестким, и возникают трещины. В арматуре появляются удлинения, которых не было бы при достаточном сцеплении. Трещины увеличиваются, быстро раскрываются и наступает аварийное состояние конструкции.

Под сцеплением арматуры с бетоном подразумевают непрерывную связь по поверхности контакта между арматурой и бетоном, обеспечивающую их совместную работу.

Сцепление обусловливает перераспределение усилий между арматурой и бетоном при развитии неупругих деформаций бетона и при возникновении и развитии в нем трещин, предотвращает от чрезмерного раскрытия трещин и обеспечивает в большинстве случаев передачу усилий обжатия с предварительно напряженной арматуры на бетон.

Сцепление арматуры с бетоном определяется характеристиками арматурной стали (состояние ее поверхности, профиль, диаметр и механические свойства) и бетона (прочность, деформативность, возраст, состав, свойства цемента и заполнителей), технологией приготовления бетонной смеси, способом ее укладки и уплотнения, условиями твердения бетона, а также напряженным состоянием железобетонных конструкций, вызывающим передачу и распределение усилий между арматурой и бетоном.

Основными факторами определяющими, сопротивление сдвигу арматуры в бетоне, являются в общем случае сопротивление бетона смятию и срезу, вызванное механическим зацеплением неровностей и выступов на поверхности арматурных стержней, и склеивание арматуры с бетоном вследствие клеющей способности цементного геля, находящегося при затворении бетона в коллоидальном состоянии. До недавнего времени рассматривались и силы трения, возникающие будто бы на поверхности арматуры из-за обжатия стержней при усадке бетона. Однако последние опыты свидетельствуют о том, что в реальных условиях в большинстве случаев такие силы отсутствуют и более того — усадка отрицательно сказывается на сопротивление арматуры сдвигу в бетоне.

Склеивание цементного камня с арматурой в период схватывания и твердения бетона определяется химическими и физическими процессами, которые приводят к возникновению на поверхности контакта капиллярных и молекулярных сил притяжения. Однако нарушение сил адгезии происходит при сравнительно небольших напряжениях сцепления арматуры и бетона, поэтому они не играют решающей роли. У стержней с полированной поверхностью сцепление примерно в 5 раз ниже, чем у гладких горячекатанных стержней в состоянии поставки. Особенно значительное увеличение сцепления арматуры с бетоном достигается за счет придания ее поверхности специального профиля. Сопротивление такой арматуры выдергиванию, благодаря заклиниванию ее в бетоне, в 2. 3 раза выше, чем гладкой. Решающее значение при выборе обоазцов для исследования сцепления имеют напряженное состояние железобетонных конструкции и условия передачи и распределения напряжений между арматурой и бетоном. В реальных условиях приходится сталкиваться со следующими основными случаями (рис. 2.1):

анкеровка концов арматуры в бетоне при различных силовых воздействиях;
анкеровка концов арматуры в опорных участках изгибаемых конструкций (балок, ферм), а также в узла ферм;
распределение сцепления арматуры с бетоном между трещинами в растянутых, изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементах и конструкциях.

На рис. 2.1 вдоль стержня условно показана возможная эпюра касательных напряжений.

Наиболее простым является случай заделки конца стержня в бетонный массив (рис. 2.1, а) при приложении к стержню выдергивающей силы.

Существенно сказываются на анкеровке арматуры толщина защитного слоя и возможные силовые воздействия (рис. 2.1, б).

Особые условия анкеровки концов арматуры возникают на опорах изгибаемых конструкций. Как видно из рис. 2.1, в, при появлении косой трещины у опор растягивающие усилия в арматуре стремятся выдернуть стержень из опорного участка конструкции. На анкеровку арматуры в опорном участке сильно влияют обжатие бетона, вызванное опорной реакцией, геометрия опорной части и ее косвенное армирование. Аналогичная картина наблюдается и в опорных узлах ферм (рис. 2.1, г, д).

Особенность предварительно напряженных конструкций без специальных анкерных устройств на концах стержней состоит в передаче напряжений на бетон при отпуске натяжения арматуры (рис. 2.1, е). При этом обжатие бетона целиком обеспечивается сцеплением арматуры с бетоном в зоне анкеровки.

Для испытания на сцепление используют различные способы, каждый из которых имеет свои особенности. Наиболее часто применяют испытания на выдергивание и продавливание. Первый способ заключается в выдергивании забетонированного стержня с упором призмы в торец. При этом силы сцепления вызывают продольное сжатие бетона и растяжение его в поперечном направлении. Сопротивление продав- ливанию больше, чем выдергиванию, так как при сжатии стержня его поперечное сечение увеличивается, а при растяжении — наоборот, уменьшается. Этот способ не характеризует условий анкеровки арматуры в обычных конструкциях, однако условия передачи напряжений от арматуры на бетон в данном случае близки к предварительно напряженным конструкциям. При сложном напряженном состоянии конструкции анкеровку арматуры приходится проверяться на моделях узлов конструкций, например, опорных участков ферм, примыкания ригелей к сжатым колоннам и т. п.

Напряжения сцепления по длине заделки стержня при нагружении образца распределяются неравномерно (рис. 2.2, а). Для определения указанных напряжений необходимо рассмотреть два близких сечения стержня (,рис. 2.2, б) с переменным растягивающим усилием Z. Обозначив через и периметр стержня, найдем

Если разбить длину заделки гладкого стержня на элементарные участки, характер его взаимодействия с прилегающим бетоном в процессе нагружения образца схематически может быть представлен следующим образом.

Взаимное смещение арматуры и бетона начинается со стороны нагруженного торца образца, причем проявляется оно не сразу, а лишь после того, как касательные напряжения у него достигнут предельных значений (кривая 1, рис. 2.3, а). Заметных деформаций в начальной стадии нагружения нет, что обусловлено упругой работой бетона выступов микрорельефа на изгиб и сдвиг, а также жесткостью адгезионных связей. Начало взаимного смещения вызывается срезом отдельных наиболее мелких и часто расположенных неровностей цементного камня на ближайшем к торцу образца участке стержня и сопровождается перераспределением напряжений с этого участка на последующие, т.с происходит смещение “горба” эпюры вглубь образца (кривая 2, рис. 2.3, а). При дальнейшем повышении нагрузки сцепление арматуры с бетоном нарушается на все большей длине стержня, “горб" эшоры т еще больше смещается к ненагруженному торцу и так до тех пор, пока не произойдет сдвиг стержня (но без потери общей сопротивляемости его сдвигу).

Эпюры удлинений и напряжений арматуры, соответствующих эпюрам касательных напряжений, показаны на рис. 2.3, б, в.

Таким образом, в процессе нагружения образца все элементарные участки стержня по длине его заделки от нагруженного торца до ненагруженного проходят, последовательно, все стадии напряженного состояния по срезу (в условиях объемного напряженного состояния) вплоть до предельного.

При арматуре периодического профиля картина взаимодействия заметно усложняется. Рост нагрузки сопровождается последовательным смятием выступов бетона и соответственно перераспределение напряжений с более нагруженных на менее нагруженные. Сдвиг стержня происходит после среза всех выступов, а его выдергивание заканчивается обычно раскалыванием образца.

При испытании на выдергивание и продавливание в процессе нагружения образца измеряют смещение арматуры относительно бетона и напряжения в арматуре. Нагрузку прикладывают ступенями по 10. 15% ожидаемой предельной с минутной выдержкой после каждой ступени. При этом скорость нагружения должна соответствовать приросту напряжений в арматуре на 5 МПа/с. За начало сдвига арматуры принимают (условно) момент, соответствующий началу деформаций на ненагруженном конце.

Если испытание доведено до сдвига арматуры, то можно рассчитать среднее (условное) предельное напряжение сцепления (см. рис. 2.2, а)

Этой характеристикой и пользуются обычно в практических расчетах.

Более точно напряжения сцепления можно определить, если воспользоваться формулой (2.2). Измеряя на каждой ступени нагружения изменения напряжений в арматуре по длине стержня, можно получить закон изменения rg по его длине на всех ступенях нагружения вплоть до сдвига арматуры.

Наиболее надежное повышение сопротивления сдвигу арматуры в бетоне достигают устройством крюков па концах гладких стержней, применением сварных сеток и каркасов, а также специальных анкеров.

Читайте также: